Trägereinrichtung, Anordnung mit einer Trägereinrichtung und Verfahren zur

Ausbildung einer Anordnung mit einer Trägereinrichtung

Stand der Technik Die Erfindung betrifft eine Trägereinrichtung zur Aufnahme zweier Lager zur

Lagerung einer Welle gemäß dem Anspruch 1. Ferner betrifft die Erfindung eine Anordnung mit einer erfindungsgemäßen Trägereinrichtung sowie ein Verfahren zur Ausbildung einer derartigen Anordnung. Schnelllaufende Maschinen, gemeint sind hierbei z.B. Verdichtereinrichtungen, bei denen die Umdrehungszahl einer Welle mehr als 100 000 Umdrehungen pro Minute betragen kann, stellen hohe Anforderungen bzgl. einer koaxialen

Anordnung der der Lagerung der Welle dienenden Radiallager. Weiterhin werden derartige schnelldrehende Wellen typischerweise über aerodynamische bzw. aerostatische Lager gelagert, d.h., dass in dem Lagerspalt zwischen der Welle und den Radiallagern ein Gas, wie Luft, als Lager- bzw. Schmiermedium

Verwendung findet. Derartige Radiallager zeichnen sich weiterhin zur Erfüllung ihrer Funktion dadurch aus, dass zwischen den Radiallagern und der Welle sehr geringe Lagerspalte, die typischerweise weniger als 20μηι betragen, ausgebildet sind. Die angesprochene Notwendigkeit der koaxialen Anordnung bzw.

Ausrichtung der Radiallager zueinander ergibt sich somit insbesondere direkt aus dem geringen Lagerspalten zwischen den Radiallagern und der zu lagernden Welle. Die Radiallager sind üblicherweise im Bereich einer (gemeinsamen)

Trägereinrichtung bzw. eines Gehäuses eingesetzt. Diese Trägereinrichtung bzw. das Gehäuse dient darüber hinaus auch der Aufnahme von weiteren Bauteilen, die im Zusammenhang beispielsweise mit dem Antrieb der Welle stehen. So ist es beispielsweise üblich, innerhalb des Gehäuses die Bestandteile eines Elektromotors zum Antrieb der Welle anzuordnen. Da diese Bestandteile nicht zu jedem beliebigen Zeitpunkt der Montage in dem Gehäuse bzw. an der Trägereinrichtung angeordnet werden können, ist es darüber hinaus erforderlich, die die Radiallager tragende Trägereinrichtung zeitweise wieder zu demontieren und anschließend, beispielsweise nach Einbau von Bauteilen in das Gehäuse, wieder zusammenzubauen. Problematisch ist dabei die koaxiale Anordnung der Radiallager bzw. der entsprechenden Aufnahmen zur Aufnahme der Radiallager. Dies rührt daher, dass diese Aufnahmen bzw. die Radiallager in einem Zustand zueinander ausgerichtet werden müssen, bei dem noch nicht alle Bauteile im Bereich der Trägereinrichtung angeordnet sind. Dies hat zur Folge, dass anschließend die Trägereinrichtung wieder demontiert werden muss, um Bauteile an der Trägereinrichtung montieren zu können. Bei dem Wiederzusammenbau der Trägereinrichtung kommt es typischerweise aufgrund der geometrischen Ausbildung der Bauteile der Trägereinrichtung zu einem Fluchtungsfehler, da beim Wiederzusammenbau der Bauteile der Trägereinrichtung die

entsprechenden Aufnahmen für die Radiallager bzw. die Radiallager selbst nicht mehr genau fluchtend zueinander angeordnet sind.

Offenbarung der Erfindung

Die erfindungsgemäße Trägereinrichtung zur Aufnahme zweier Lager, insbesondere zweier Radiallager zur drehbaren Lagerung einer Welle mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, das auch nach einer Demontage der Trägereinrichtung, welche aus wenigstens zwei Elementen besteht, und anschließender Wiedermontage der wenigstens zwei Elemente der

Trägereinrichtung die Aufnahmen für die Lager bzw. die Lager selbst in derselben Position wie vor der Demontage der Trägereinrichtung, d.h. fluchtend zueinander angeordnet sind.

Hierzu ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass zwischen den beiden miteinander verbindbaren Elementen der Trägereinrichtung wenigstens ein in einem schrägen Winkel zu einer Längsachse der beiden Lageraufnahmen bzw. Lager angeordneter erster Kontaktbereich und ein in einem rechten Winkel zur Längsachse angeordneter zweiter Kontaktbereich vorgesehen sind, wobei die beiden Elemente der Trägereinrichtung zueinander festlegbar sind, und wobei im festgelegten Zustand die beiden Elemente in einer senkrecht zum ersten

Kontaktbereich verlaufenden Richtung unter elastischer Vorspannung angeordnet sind. Es hat sich herausgestellt, dass durch eine derartige

Kombination zweier, in einem Winkel zueinander angeordneter Kontaktbereiche zwischen den wenigstens zwei Elementen der Trägereinrichtung, in Kombination mit einer unter einer elastischen Vorspannkraft vorgesehenen Positionierung der wenigstens zwei Elemente, eine hinreichend genaue Koaxialität hinsichtlich der

Aufnahmen zur Aufnahme der Lager bzw. der Lager auch nach einer Demontage und anschließenden erneuten Montage der Trägereinrichtung ermöglicht wird.

Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Trägereinrichtung zur Aufnahme zweier Lager zur Lagerung einer Welle sind in den Unteransprüchen aufgeführt.

In einer konstruktiv bevorzugten Ausgestaltung ist es vorgesehen, dass das erste Element der Trägereinrichtung topf- oder hülsenförmig und das zweite Element scheibenförmig ausgebildet ist, und dass die beiden Kontaktbereiche durch jeweils zwei, an den Elementen ausgebildete, radial um die Längsachse umlaufenden Kontaktflächen gebildet sind.

Zur Ausbildung eines besonders kompakt gestalteten zweiten Elements ist es darüber hinaus von Vorteil, wenn die beiden Kontaktbereiche an den beiden Elementen der Trägereinrichtung in Richtung der Längsachse betrachtet aneinander anschließen. Dadurch wird insbesondere bei dem scheibenförmigen zweiten Element eine besonders geringe axiale Baulänge des zweiten Elements ermöglicht, da keine, die Baulänge vergrößernden Zwischenbereiche zwischen den beiden Kontaktbereichen am zweiten Element erforderlich sind.

Ganz besonders bevorzugt ist es darüber hinaus, wenn die beiden Elemente der Trägereinrichtung ein einen geschlossenen Innenraum aufweisendes Gehäuse ausbilden. Ein derartiges Gehäuse hat insbesondere den Vorteil, dass darin Bauteile von der Umgebung geschützt angeordnet werden können.

Die Erfindung betrifft weiterhin eine Anordnung zur Lagerung einer Welle mit einer soweit beschriebenen erfindungsgemäßen Trägereinrichtung sowie mit zwei, in Aufnahmen der Elemente angeordneten Lagern. In bevorzugter Ausgestaltung einer derartigen Anordnung sind die beiden Lager als aerodynamische oder aerostatische Radiallager ausgebildet. Die

Verwendung derartiger Radiallager hat insbesondere den Vorteil, dass durch die erfindungsgemäß ausgebildete Trägereinrichtung eine besonderes gute koaxiale Anordnung der Radiallager ermöglicht wird, sodass die bei den aerodynamischen oder aerostatischen Radiallager geforderten relativ geringen Lagerspalte zwischen den Radiallagern und der zu lagernden Welle besonders einfach realisiert werden können.

Weiterhin ist es bevorzugt vorgesehen, dass die soweit beschriebene Anordnung Bestandteil einer einen elektrischen Antrieb aufweisenden Maschine,

insbesondere einer Verdichtereinrichtung ist, und dass das erste Element der Trägereinrichtung dazu ausgebildet ist, Bauteile der elektrischen Maschine aufzunehmen.

Weiterhin umfasst die Erfindung auch ein Verfahren zur Ausbildung einer soweit beschriebenen Anordnung, wobei sich das Verfahren zumindest durch folgende Schritte auszeichnet:

- Bereitstellen der beiden Elemente der Trägereinrichtung und ggf. in den

Lageraufnahmen der Elemente angeordneter Lager

- Axiales Fügen und Verbinden der beiden Elemente der Trägereinrichtung, wobei die beiden Elemente im ersten Kontaktbereich unter radialer elastischer Vorspannung angeordnet sind

- insbesondere mechanisches Bearbeiten der beiden Lageraufnahmen für die beiden Lager oder von Innenbohrungen in den Lagern zur Aufnahme der Welle im gefügten Zustand der beiden Elemente, derart, dass die beiden Lageraufnahmen oder die beiden Innenbohrungen fluchtend zur Längsachse angeordnet sind

Um eine definierte axiale bzw. elastische Vorspannung der beiden Elemente der Trägereinrichtung zu ermöglichen, ist es in einer vorteilhaften Ausgestaltung des soweit beschriebenen Herstellverfahrens vorgesehen, dass vor dem Bearbeiten der Aufnahmen in den Elementen oder der Innenbohrungen in den Lagern in einem Zwischenschritt eine Bearbeitung der beiden Elemente der

Trägereinrichtung im ersten Kontaktbereich erfolgt, bei der ein Axialabstand zwischen den beiden Elementen im zweiten Kontaktbereich auf ein Sollmaß eingestellt wird. Die Größe des Sollmaßes ist dabei beim axialen Fügen bzw. Verspannen der beiden Elemente ein Maß für die elastische Verformung der Elemente der Trägereinrichtung.

Weiterhin ist es bei einer weiteren Variante des Herstellverfahrens vorgesehen, dass nach dem Bearbeiten der beiden Lageraufnahmen für die beiden Lager oder der Innenbohrungen in den Lagern die beiden Elemente der

Trägereinrichtung voneinander getrennt werden, um im Bereich des ersten Elements der Trägereinrichtung (Gehäuse) angeordnete Bauteile zu montieren, und dass anschließend die beiden Elemente der Trägereinrichtung wieder gefügt werden. Ein derartiges Verfahren ermöglicht es, die Bauteile zu einem Zeitpunkt in der Trägereinrichtung bzw. dem Gehäuse anzuordnen, bei dem anschließend keine mechanische Bearbeitung des Innenraums des Gehäuses bzw. der Trägereinrichtung erforderlich ist, sodass eine Verschmutzung durch

Schmutzpartikeln, Späne oder Ähnliches im Innenraum vermieden wird.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung.

Diese zeigen in:

Fig. 1 einen stark vereinfachten Längsschnitt durch eine

Verdichtereinrichtung,

Fig. 2 einen Ausschnitt aus der Fig. 1 in vergrößerter Darstellung zur

Erläuterung eines Zwischenschritts bei der Herstellung bzw. Bearbeitung des Gehäuses und

Fig. 3 ein Ablaufdiagramm zur Darstellung von Herstellschritten zur

Ausbildung einer Trägereinrichtung.

Gleiche Elemente bzw. Elemente mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen. In der Fig. 1 ist eine Verdichtereinrichtung 100 zum Verdichten eines Gases stark vereinfacht dargestellt. Die Verdichtereinrichtung 100 weist wenigstens eine Verdichterstufe 1 10 auf, an einem stirnseitigen Endbereich einer Welle 1 drehfest mit der Welle 1 verbunden ist. Die Welle 1 ist im Bereich einer Trägereinrichtung 10 radial um eine Drehachse 2 gelagert, wobei die Drehachse 2 gleichzeitig eine Längsachse ausbildet. Hierzu dienen beispielhaft zwei, im Bereich der

Trägereinrichtung 10 angeordnete Radiallager 12, 14. Weiterhin ist die Welle 1 in axialer Richtung, d.h. in Richtung ihrer Drehachse 2, mittels einer ebenfalls im Bereich der Trägereinrichtung 10 angeordneten Lagereinrichtung in Form eines Axiallagers 16 gelagert.

Der Antrieb der Welle 1 erfolgt mittels eines Elektromotors 20, der ebenfalls rein beispielhaft, und nicht einschränkend, auf der Welle 1 angeordnete

Magnetelemente 22 aufweist, die mit einem ortsfest an der Trägereinrichtung 10 angeordneten Stator 23 zusammenwirken. Die Trägereinrichtung ist in Form eines geschlossenen Gehäuses 24 ausgebildet ist. Vorzugsweise sind sowohl die beiden Radiallager 12, 14, als auch das Axiallager 16 als aerodynamisches bzw. aerostatisches Lager ausgebildet, d.h., dass die Lagerung der Welle 1 im Bereich der Radiallager 12, 14 und des Axiallagers 16 mittels eines Gases, insbesondere mittels Luft erfolgt, das in einem Lagerspalt 26 zwischen dem Radiallager 12 bzw. 14 und dem Außenumfang der Welle 1 bzw. im Bereich des Lagerspalts 28 des Axiallagers 16 zugeführt wird. Dies erfolgt, da nicht erfindungswesentlich, auf nicht gezeigte Art und Weise.

Das Gehäuse 24 umfasst ein erstes Element 31 , das im Wesentlichen topf- bzw. napfförmig ausgebildet ist, und ein zweites Element 32, das im Wesentlichen scheibenförmig ausgebildet ist. Die beiden Elemente 31 , 32 sind beispielhaft mittels mehrerer, in Umfangsrichtung um die Drehachse 2 der Welle 1 in gleichmäßigen Winkelabständen zueinander angeordneten

Befestigungselementen in Form von Befestigungsschrauben 34 miteinander fest und lösbar verbunden. Das soweit beschriebene Gehäuse 24 der

Trägereinrichtung 10 bildet einen geschlossenen Innenraum 36 aus, in dem die Bauteile der Verdichtereinrichtung 100, so zum Beispiel die Bauteile des

Elektromotors 20, angeordnet sind. Anhand der Fig. 1 ist erkennbar, dass das erste Element 31 auf der dem zweiten Element 32 zugewandten Seite im Bereich einer radial umlaufenden Innenwand eine in einem schrägen Winkel α zur Drehachse 2 angeordnete erste

Kontaktfläche 41 aufweist. Die erste Kontaktfläche 41 bildet somit eine konusförmige Fläche aus. Die erste Kontaktfläche 41 wirkt mit einer an dem zweiten Element 32 ausgebildeten gegengleichen zweiten Kontaktfläche 42 zusammen. Die beiden Kontaktflächen 41 , 42 bilden zusammen einen ersten Kontaktbereich 43 zwischen den beiden Elementen 31 , 32 der Trägereinrichtung 10 bzw. des Gehäuses 24 aus.

Weiterhin ist anhand der Fig. 1 erkennbar, dass die dem zweiten Element 32 zugewandte Stirnfläche des ersten Elements 31 eine dritte Kontaktfläche 44 ausbildet, die rechtwinklig zur Drehachse 2 der Welle 1 verläuft. Die ringförmige dritte Kontaktfläche 44 wirkt mit einer gegengleichen vierten Kontaktfläche 45 am zweiten Element 32 zusammen. Die beiden Kontaktflächen 44, 45 bilden einen zweiten Kontaktbereich 48 zwischen den beiden Elementen 31 , 32 des

Gehäuses 24 bzw. der Trägereinrichtung 10 aus. Die Kontaktflächen 41 , 44 am ersten Element 31 und die Kontaktflächen 42, 45 am zweiten Element 32 schließen in Richtung der Drehachse 2 betrachtet vorzugsweise zumindest nahezu unmittelbar aneinander an.

Im montierten Zustand der Trägereinrichtung 10 ist aufgrund der Maßtolerierung der beiden Kontaktflächen 41 , 42 am ersten Kontaktbereich 43 das erste

Element 31 zumindest im Bereich des ersten Kontaktbereichs 41 radial elastisch nach außen aufgeweitet bzw. mit einer elastischen Vorspannspannkraft V beaufschlagt.

Das Anliegen der Kontaktflächen 41 , 42 im ersten Kontaktbereich 43 sowie der beiden Kontaktflächen 44, 45 im zweiten Kontaktbereich 48 wird durch eine Bearbeitung der Kontaktflächen 41 , 42 am ersten Kontaktbereich 43 während der

Ausbildung bzw. Fertigung des Gehäuses 24 bzw. der Trägereinrichtung 10 eingestellt. Hierzu wird zunächst auf die Fig. 2 verwiesen. Darin erkennt man, dass in einem Vormontageschritt, bei der wenigstens eine der beiden

Kontaktflächen 41 , 42 des ersten Kontaktbereichs 43 noch nicht endbearbeitet ist bzw. ein Übermaß aufweist, zwischen der dritten Kontaktfläche 44 und der vierten Kontaktfläche 45 ein Abstand ai ausgebildet ist. Würde man nun die beiden Elemente 31 , 32 mit entsprechenden Axialkräften gegeneinander derart beaufschlagen, dass der Abstand ai Null wäre, so würde in dem ersten Element 31 eine zu hohe radiale Druckspannung erzeugt werden. Zur Erzielung einer definierten elastischen Vorspannung zwischen den beiden Elementen 31 , 32 im ersten Kontaktbereich 43 ist es daher erforderlich, den Abstand ai auf einen

Abstand a2 zu verringern, der so groß ist, dass bei einer Anlage der beiden Kontaktflächen 44, 45 im Bereich des ersten Elements 31 die gewünschte radiale Aufweitung bzw. elastische Vorspannung erzeugt wird. Mit Blick auf die wesentlichen Montage- bzw. Herstellungsphasen der

Trägereinrichtung 10 wird nunmehr auf das Ablaufdiagramm der Fig. 3 eingegangen: Darin ist erkennbar, dass in einem ersten Schritt 201 das oben erläuterte axiale Fügen der beiden Elemente 31 , 32 in Richtung der Drehachse 2 zur Erfassung des Abstands ai zwischen den beiden Kontaktflächen 44, 45 erfolgt. Anschließend erfolgt in einem zweiten Schritt 202 die Endbearbeitung der ersten und/oder zweiten Kontaktfläche 41 , 42 den Elementen 31 , 32, um den Abstand a2 einzustellen. Anschließend werden die beiden Elemente 31 , 32 in einem dritten Schritt 203 nochmals gefügt bzw. mittels der

Befestigungsschrauben 34 miteinander verbunden, derart, dass die beiden Kontaktbereiche 43, 48 ausgebildet werden, d.h. alle Kontaktflächen 41 , 42, 44 und 45 aneinander anliegen. In diesem Zustand werden nun in den beiden Elementen 31 , 32 ausgebildete Lageraufnahmen 50, 52, die der Aufnahme der Radiallager 12, 14 dienen, durch einen Bearbeitungsvorgang, insbesondere durch einen Schleifvorgang, zueinander koaxial ausgerichtet. Eine

entsprechende Bearbeitung der Lageraufnahmen 50, 52 ist immer dann sinnvoll, wenn die Radiallager 12, 14 bauartbedingt bzw. aufgrund ihrer Fertigung bereits sehr geringe Toleranzen aufweisen. Wenn dies nicht der Fall ist, ist es demgegenüber vorgesehen, dass die Radiallager 12, 14 bereits in den

Lageraufnahmen 50, 52 angeordnet sind und die Innenbohrungen 54, 56 der Radiallager 12, 14 durch einen Bearbeitungsschritt (insbesondere Schleifen) koaxial zueinander ausgerichtet werden.

In dem Zustand, in dem die Bearbeitung der Lageraufnahmen 50, 52 bzw. der Innenbohrungen 54, 56 erfolgt, sind in den Innenraum 36, des Gehäuses 24 insbesondere die Bestandteile des Elektromotors 20 noch nicht montiert. Nachdem die Ausbildung der Lageraufnahmen 50, 52 bzw. der Innenbohrungen 54, 56 an den Radiallagern 12, 14 erfolgt ist, werden anschließend die beiden Elemente 31 , 32 des Gehäuses 24 in einem vierten Schritt 204 wieder voneinander getrennt, um die in dem Gehäuse 24 befindlichen Bauteile, beispielsweise den Stator 23, anzuordnen.

Anschließend können die Elemente 31 , 32 sowie die Welle 1 in einem Schritt 205 montiert werden, wobei durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der

Kontaktbereiche 43, 48 beim Wiederzusammensetzen der beiden Elemente 31 , 32 die Lageraufnahmen 50, 52 bzw. Innenbohrungen 54, 56 der Radiallager 12,

14 mit hoher Genauigkeit fluchtend zueinander angeordnet sind.

Die soweit beschriebene Trägereinrichtung 10 kann in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken

abzuweichen. So ist es insbesondere auch denkbar, dass das erste und/oder zweite Element 31 , 32, nicht wie dargestellt, jeweils einstückig bzw. monolithisch ausgebildet ist/sind, sondern aus jeweils mehreren Bauteilen besteht. Wesentlich dabei ist, dass die entsprechenden Bauteile der beiden Elementen 31 , 32 in diesem Fall nach dem Bearbeiten der Aufnahmebohrung 50, 52 bzw.

Innenbohrung 54, 56 nicht mehr voneinander getrennt werden müssen, während das Trennen der Elemente 31 , 32 selbstverständlich möglich ist. Weiterhin soll die soweit beschriebene Trägereinrichtung 10 nicht auf den Einsatz als

Verdichtereinrichtung beschränkt sein. Anstelle von mechanischen

Bearbeitungsverfahren für die Lageraufnahmen 50, 52 bzw. der Innenbohrungen 54, 56 können je nach Anwendungsfall stattdessen auch thermische, elektrische oder elektrochemische Bearbeitungsverfahren vorgesehen sein.

Die Erfindung soll auch nicht auf die Bearbeitung von Lageraufnahmen 50, 52 bzw. Innenbohrungen 54, 56 für Radiallager 12, 14 beschränkt sein. Vielmehr ist eine Übertragung des Erfindungsgedanken auch auf kombinierte Radial-

/Axiallager bzw. Axiallager denkbar. Zuletzt können anstatt aerodynamischer bzw. aerostatischer Lager auch konventionelle Wälzlager o.ä. verwendet werden.